【瑞萨RA × Zephyr评测】多线程和看门狗

Zephyr 应用在 FPB-RA6E2 开发板上的评测：多线程与看门狗

本文章旨在评估使用 Zephyr RTOS 在 Renesas FPB-RA6E2 开发板上实现多线程调度与硬件看门狗功能的应用。评估内容包括任务调度、看门狗初始化流程、主程序逻辑的详细解析，以及实验现象与数据分析。

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1. 硬件连接与引脚定义

本实验涉及的任务调度和看门狗功能不依赖特定的物理引脚，但需要确保开发板支持硬件看门狗外设。

功能	物理引脚 (Pin)	信号定义	接线说明
看门狗	内部外设	WDT Timer	无需外部连接

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2. 软件环境配置

2.1 Device Tree Overlay

设备树用于定义硬件看门狗的初始状态。以下是关键配置：

看门狗配置

wdt: wdt@40083400 {
	compatible = "renesas,ra-wdt"; /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:542 */
	reg = < 0x40083400 0x200 >;    /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:543 */
	clocks = < &pclkb 0x0 0x0 >;   /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:544 */
	status = "okay";               /* in externalzephyrboardsrenesasfpb_ra6e2fpb_ra6e2.dts:135 */
	};
	};

};

2.2 Kconfig 配置 (prj.conf)

确保启用了多线程和看门狗驱动支持：

CONFIG_MULTITHREADING=y
CONFIG_WATCHDOG=y
CONFIG_TASK_WDT=y
CONFIG_LOG=y

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3. 代码逻辑分析

3.1 主程序代码（main.c）

#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/drivers/watchdog.h >
#include < zephyr/sys/reboot.h >
#include < zephyr/task_wdt/task_wdt.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < stdbool.h >

/*
 * To use this sample, either the devicetree's /aliases must have a
 * 'watchdog0' property, or one of the following watchdog compatibles
 * must have an enabled node.
 *
 * If the devicetree has a watchdog node, we get the watchdog device
 * from there. Otherwise, the task watchdog will be used without a
 * hardware watchdog fallback.
 */
#if DT_NODE_HAS_STATUS_OKAY(DT_ALIAS(watchdog0))
#define WDT_NODE DT_ALIAS(watchdog0)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(st_stm32_window_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(st_stm32_window_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(st_stm32_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(st_stm32_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(nordic_nrf_wdt)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(nordic_nrf_wdt)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(espressif_esp32_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(espressif_esp32_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(silabs_gecko_wdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(silabs_gecko_wdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(nxp_wdog32)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(nxp_wdog32)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(microchip_xec_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(microchip_xec_watchdog)
#else
#define WDT_NODE DT_INVALID_NODE
#endif

static void task_wdt_callback(int channel_id, void *user_data)
{
	printk("Task watchdog channel %d callback, thread: %sn",
		channel_id, k_thread_name_get((k_tid_t)user_data));

	/*
	 * If the issue could be resolved, call task_wdt_feed(channel_id) here
	 * to continue operation.
	 *
	 * Otherwise we can perform some cleanup and reset the device.
	 */

	printk("Resetting device...n");

	sys_reboot(SYS_REBOOT_COLD);
}

int main(void)
{
	int ret;
	const struct device *const hw_wdt_dev = DEVICE_DT_GET_OR_NULL(WDT_NODE);

	printk("Task watchdog sample application.n");

	if (!device_is_ready(hw_wdt_dev)) {
		printk("Hardware watchdog not ready; ignoring it.n");
		ret = task_wdt_init(NULL);
	} else {
		ret = task_wdt_init(hw_wdt_dev);
	}

	if (ret != 0) {
		printk("task wdt init failure: %dn", ret);
		return 0;
	}


	/* passing NULL instead of callback to trigger system reset */
	int task_wdt_id = task_wdt_add(1100U, NULL, NULL);

	while (true) {
		printk("Main thread still alive...n");
		task_wdt_feed(task_wdt_id);
		k_sleep(K_MSEC(1000));
	}
	return 0;
}

/*
 * This high-priority thread needs a tight timing
 */
void control_thread(void)
{
	int task_wdt_id;
	int count = 0;

	printk("Control thread started.n");

	/*
	 * Add a new task watchdog channel with custom callback function and
	 * the current thread ID as user data.
	 */
	task_wdt_id = task_wdt_add(100U, task_wdt_callback,
		(void *)k_current_get());

	while (true) {
		if (count == 50) {
			printk("Control thread getting stuck...n");
			k_sleep(K_FOREVER);
		}

		task_wdt_feed(task_wdt_id);
		k_sleep(K_MSEC(50));
		count++;
	}
}

K_THREAD_DEFINE(control, 1024, control_thread, NULL, NULL, NULL, -1, 0, 1000);

3.2 核心流程

多线程调度

1. 创建高优先级线程 control_thread，用于模拟实时任务。
2. 主线程运行低优先级任务，定期喂养看门狗。
3. 当高优先级线程卡住时，触发看门狗回调或系统复位。

看门狗流程

1. 初始化硬件看门狗或任务看门狗。
2. 为每个线程注册独立的看门狗通道，并设置超时时间。
3. 定期调用 task_wdt_feed 函数喂养看门狗。
4. 如果某个线程未能及时喂养，触发回调函数或系统复位。

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3.3 关键 API 使用

以下是代码中使用的关键 API：

多线程管理

K_THREAD_DEFINE(thread_name, stack_size, entry_point, arg1, arg2, arg3, prio, options, delay);

• thread_name: 线程名称。
• stack_size: 线程栈大小。
• entry_point: 线程入口函数。
• prio: 线程优先级。

看门狗初始化

int task_wdt_init(const struct device *hw_wdt_dev);

• hw_wdt_dev: 硬件看门狗设备句柄（可为空）。

看门狗通道管理

int task_wdt_add(uint32_t timeout_ms, task_wdt_callback_t callback, void *user_data);
void task_wdt_feed(int channel_id);

• timeout_ms: 超时时间（毫秒）。
• callback: 超时回调函数。
• channel_id: 看门狗通道 ID。

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4. 实验现象与数据分析

4.1 多线程调度行为

• 主线程 : 每秒打印一次日志，表明其仍在运行。
• 高优先级线程 : 模拟实时任务，每 50 毫秒喂养看门狗，运行 50 次后故意卡住。

终端应显示如下数据流：

*** Booting Zephyr OS build v4.2.0 ***
Task watchdog sample application.
[00:00:00.005,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window min = 0.00 ms[0m
[00:00:00.012,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window max = 671.00 ms[0m
[00:00:00.019,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: wdt timeout was set successfully[0m
Main thread still alive...
Control thread started.
Main thread still alive...
Main thread still alive...
Main thread still alive...
Control thread getting stuck...
Task watchdog channel 1 callback, thread: control
Resetting d?*** Booting Zephyr OS build v4.2.0 ***
Task watchdog sample application.
[00:00:00.005,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window min = 0.00 ms[0m
[00:00:00.012,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window max = 671.00 ms[0m
[00:00:00.019,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: wdt timeout was set successfully[0m
Main thread still alive...
Control thread started.

4.2 看门狗复位行为

• 正常运行 : 看门狗被定期喂养，系统保持稳定。
• 异常情况 : 高优先级线程卡住后，看门狗超时触发回调或系统复位。
• 视觉效果 : 使用调试器观察复位信号，确认系统重启。

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5. 测评总结

本程序成功演示了 Renesas RA6E2 在 Zephyr RTOS 下的多线程调度与看门狗功能。通过模拟高优先级任务卡住的场景，验证了任务看门狗对系统稳定性的保护作用。代码结构清晰，适配了最新的驱动 API，适用于初学者学习和开发者快速验证硬件功能。